声学在科学技术中的十大作用（上）

前言

声学是一门研究声音的发生、传播、接收以及声波与物质相互作用的科学。随着科学技术的发展，声学进入了各个应用技术领域。在现代工业、国民经济、国防建设、科学研究和日常生活的各个领域，无不和声学发生联系。因此声学是一门渗透性很强的学科。

声学技术的广泛应用，首先要归功于声波的物理特性。声是机械振动在物质（气体、液体和固体）中传播的结果，声波能穿透电磁波和光波所不能透过的介质。声波的振动频率范围很广，从1/1000赫到100万亿赫（10－4～1014Hz）。频率在20赫到20千赫范围内的声波为人耳所能所见，属音频范围。20千赫至100兆赫为超声，100兆赫至100千兆赫为特超声，100千兆赫以上为热声子运动范围，20赫以下为次声。不同频率的声波有不同的激发和接收方式以及不同的应用领域。

以下就几个主要的领域加以简单介绍：

1、声学和物理学

声学是物理学的一个重要分支，也是物理学中最古老的分支之一。在物理学的发展中，声学有着卓越的贡献。首先，声学所研究的机械振动及其在各种物质中传播的属性是物理学的本质之一。Rayleigh于19世纪末最早提出声波动理论，对后来的各种波动传播理论的发展有重要作用。

 

在声与物质相互作用的研究过程中，到目前为止，虽然主要是研究物质的声速、声衰减及密度、弹性系数（粘滞系数）等宏观量，但通过宏观量的测量，可以揭示物质微观世界的本质。如分子声学从超声传播速度和衰减及其弛豫效应的测定，可以研究气体中分子的各种运动之间的能量转移以及分子间的能量转移、液体中的各种分子结构有关的动力学过程，以及固体物质的相变、缺陷、晶粒尺寸乃至微观的分子结构、半导体和超导体中的能隙及能级分布情况等。

 

当声波强度较强时，除了线性效应之外，还有非线性效应出现。早在本世纪二三十年代，就已发现高强声波在液体中产生空泡（因液体耐压而不耐拉），在空泡内聚能可达1011巴（相当于108大气压），温度可升至104ø K（即10000度）以上，因而导致发光等特殊现象，亦称“声致发光”。空泡中的超高温和超高压引起物理学家和化学家的重视，希望有可能引起核聚变等重要的物理和化学效应。近年来，发现非线性参量对不均匀结构及相变的响应比线性物理量更为敏感。此外，固体物质的非线性性质引起声波的非简谐共振、混频、高次谐波产生等等，其机理均可归结为原子之间相互作用势的存在以及分子内平衡位置的改变等等。总之，高频声波的传播与声子-声子、声子-电子以及声子与其他激子间的相互作用相联系的。

 

至于非线性声学所研究的孤子、分岔与混沌的问题是自然界普遍存在并有重要应用前景的现象，是目前非线性动力学的一个重要主题之一。通过水波孤子和混沌的研究，可以直接观察到孤子的形成，多孤子相互作用及孤子和混沌之间的相互转化过程等，显示了物理现象的统一性，从而对揭示自然界的普遍规律有积极的意义。

 

在超低温条件下研究He超流的意义上来看，从第一声（即通常声波）到第五声的研究，可以探求在超低温下液氦的各种热力学参量，从而对超流相微观结构的研究具有特殊的意义。

 

2、超声在工业上的应用

超声的工业应用是超声技术的重要应用领域之一，应用范围非常广泛，归纳起来主要有两大类：一是超声加工处理；二是超声检测。

 

1） 大功率超声的工业应用

利用大功率超声波作用于物质，可改变物质的性质和状态。例如，在含有烟雾粒子和灰尘的气体中发射大功率超声，不同尺度的粒子振动速度不同，则互相碰撞，从而可加速粒子的凝聚；在液体中发射大功率超声，会在液体中产生“空化现象”，即波动引起的稀疏过程使液体产生空泡，压缩过程使空泡破碎而在周围产生机械冲力。从而可实现清洗、乳化、脱气以及使固体粒子悬浮、或使高分子分解和聚合，促进化学反应等；在固体中发射大功率超声，可用于粉碎、研磨，切割、加工和焊接等等。

 

 

此外，利用固体中超声波的特殊波形，研制成超声马达，具有体积小、响应快、精度高和无电磁感应等特殊性能，适用于传真机、打印机等现代化办公设备中传送纸张。

 

2） 超声检测和无损评价

在当前高科技发展中，先进的材料及各种器件、设备的研究和发展越来越引起重视。相应地对无损评价技术的要求也越来越高。超声无损评价（或超声检测）与电磁波、X光及粒子探测技术并列为探索物质的四大技术。

 

超声波由于能穿透电磁波、光波等无法穿透的物质，同时又能在两种物质（两者的密度和声速显著不同）的界面上反射。如果某种物质内部存在不均匀性，如气泡、裂痕、夹杂、疏松、位错或脱粘等缺陷，就会引起超声波的反射。因此，利用超声波能探测物质内部的结构（缺陷和不均匀分布）等。目前，利用各种超声探伤仪可以对各种机械零部件，包括航空、航天飞机机壳及发动机零部件等进行无损检测，也可用于对装载核反应物质的容器、输油和输气管道以及锅炉等压力容器进行无损检测等。

 

另一方面，超声显微镜可用于微米量级的微观结构或缺陷的研究和探查，可以研究材料和微型器件的介观特性和结构。近年来，在电子显微镜、隧道显微镜及原子力显微镜基础上发展的电子声显微镜、隧道声显微镜及调制力显微镜等新型显微镜成像系统，更将声成像分辨率提高到纳米量级，从而有可能在原子尺度的量级上研究材料的表面和亚表面结构。

 

超声技术还可用于测量流体的流速、流量、粘度、温度及液位等。因此也是一种重要的测量技术。

 

近年来，由于激光技术的飞速发展，利用激光脉冲激发超声波成为当前的研究热点之一。激光脉冲可以非接触式地在凝聚态物质中激发超声波，从而可以实现遥感遥测的任务。同时，由于激光束可以聚焦，因而可以对小尺寸材料进行激光超声研究。

 

3、光声学与激光超声

当强度调制的激光束照射于物质（包括气体、液体和固体）时，物质吸收光能而产生热，周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波，这种将光能转化为声能的现象称为光声效应。其中间过程为热能的转换和传递的过程，因此亦称热波。

 

由于光声效应与物质的光学、热学、力学等性质以及几何结构有关，因此测定光声信号可以检测物质的宏观、介观乃至微观特性和结构等。利用光声效应研究、分析和检测物质的方法即为光声热波技术。通常有光声谱仪用于成分和能级结构分析，以及光声显微镜用于空间结构分布的检测。

 

另一方面，有关材料的光学、电学等性质的研究已有大量的工作，但有关热学性质的研究则为数甚少，原因主要是缺乏有效的测试手段。新型的热波技术正是有效地解决了这个问题，并且适合于测量小尺寸样品的热学性质，如热扩散系数、热传导等。对于某些利用其散热或抗热性能的材料，检测其热学性质是极为重要的。近十年来，随着近代光学（激光）技术、电子技术及声学技术的发展，光声技术（或称热波技术）也以不同的测试方法和多种形式发展起来。与红外照相（热像）技术相结合发展的热脉冲回波成像技术，适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道等大型机件的非接触式大面积的无损检测，国外已在许多部门发挥作用。

 

随着脉冲激光技术的发展，利用脉冲激光激发超声波，便成为非接触式激发超声波的有效手段。为此相应地发展了多种非接触式检测振动和位移的新方法，其中最主要的要属光干涉法。将光激发和光检测相结合形成非接触式激发和检测声波的全光学方法，适用于在极端环境下（高温、高压、腐蚀及放射性等）对材料和设备进行分析和测试。近年来利用皮秒（10－12秒）或飞秒（10－15秒）量级的超短激光脉冲在凝聚态物质中激发1011赫以上频段的特高频声子。即在固体中激发接近固体的晶格振动频率的特超声，可以直接研究固体中热声子、电子及其有关的量子力学意义上的效应。在液体中激发特超声，可以研究液体分子受激振荡及超快弛豫过程等。

 

由于光声效应反映的是物质吸收光能后产生热能及声能，因此与传统的光学方法相比，具有更高的灵敏度，并且对测试的样品没有特殊的要求，因此更为实用，成为传统光学技术的有力补充。

 

利用激光脉冲在水中激发声脉冲，可用于江、湖、河、海的水下目标及海洋地层结构探测或水下通信，也是当今水声学的研究课题之一。

 

4、声电子技术

声波历来是人类实现信息转递的主要媒介。随着现代科学技术的进步，信息交流日益频繁，并且逐渐发展为远距离通讯。因此对信息的优质传递提出更高的要求。最常用的信息传递载体是无线电波，近年来还利用光缆，即利用光波。但是，以声波为载体，并对信号进行加工处理有其特殊的优越性，因此是很重要的一个方面。声电子学就是研究以声波作为信息载体，在声波的产生、传播和接收过程中，对信息进行加工处理的一个学科分支。

 

在60至70年代，曾经利用声波在固体内激发和传播的过程制作固体声波器件，有滤波器、延迟线等等，以代替常用电阻、电容和电感组合的滤波器或用电缆实现信号延迟。因电磁波在电缆内的传播速度比固体中超声波的传播速度快105倍，如要实现相同的延迟时间，声波器件是1厘米时，电缆长度要 1公里左右。因此利用声电子器件，可使无线电元器件小型化、固定化，并且性能稳定、制作方便。

 

70年代初期，声表面波器件问世，它的优点是对换能器的形状可以任意设计，因此为器件的性能改进提供了极为方便的途径。其次是器件的制作只是利用与半导体集成电路工艺极为类似的生产程序，因此重复性好，性能稳定，体积更小型化，并可实现批量生产，为声电子器件开拓了广阔的应用领域，发展迅速。声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽、压缩、移频、调制、解调、开关、放大、编码、解码、卷积相关、频谱分析、富氏变换及其他数学变换等信号处理功能。声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、电子对抗、电视广播、光电子学以及传感控制等领域。目前主要是几十兆赫至几百兆赫频段。

 

随着移动电话的发展，声电子器件将向更高频、更精确、更小型化发展。向高频发展方面，目前工艺上可接受的声表面波器件高频限是1GHz左右。

另一方面，为超声电子技术进一步发展的需要，推动相应的理论基础同时发展起来。除有关声表面波的基础理论迅速发展之外，也推动声与半导体载流子、声与声、声与光等相互作用的机理的研究和发展。作为声波的激发、传播和检测的基础，晶体物理与技术也相应地进一步向纵深发展起来。

 

5、生物医学超声

自第二次世界大战以来，先进的工程技术与生物医学相结合，逐步发展形成了一个新的科学技术分支，称为生物医学工程。20世纪后半期，生物医学发展很快，将超声技术与生物医学相结合，即形成生物医学超声分支学科。

近年来，超声诊断在医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声诊断仪器（如A型扫描仪，B型超声断面显像仪，多普勒血流图等等）早期发现。超声多普勒成像系统可以对颅脑内血管及血流情况以彩色图形进行实时显示。甚至发展对全身各部位的血流进行多普勒彩色图形显示。超声与X光、核磁共振成为医学三大诊断手段。
为了能更准确地诊断早期病灶，了解声波参量与生物组织的生理和病理状态之间的关系是至关重要的。因此，声波在生物器官和组织内的传播规律的研究引起很大重视，超声诊断仪器设备也不断发展之中。最近，利用非线性参量成像，有别于上述的根据声速和衰减等线性参量成像的传统设备，对生物组织的病理现象更为敏感。
此外，还将多媒体技术用于超声诊断，建立图形档案与通讯系统，其特点是可以存储管理大量病人超声诊断图像信息，并进行三维组合形成立体信息。

大功率超声还可使人体局部加热，并且超声波的振动可进人体，因此，热效应、振动效应以及由强振动引起的空化效应均可以用于治疗疾病，促进药物扩散。甚至用于外科手术，如眼科手术、骨骼修复，肿瘤消除等等。

（ 本文分三次连载）

作者简介

张淑仪，1956年毕业于南京大学物理系，后留校攻读声学专业研究生，1960年毕业留校任教，并长期从事超声物理和光声科学研究。1985年曾应邀为美国韦恩大学访问副教授、1988年和1990年曾分别应邀为法国巴黎理化学院和日本东京大学访问教授。1991年当选为中国科学院院士。自1992年-2001年任南京大学声学研究所所长，现（曾）任中国声学学会副理事长，江苏省声学学会理事长，国际光声光热常务理事会理事，国际理论物理中心顾问，国际无损评价中心联合会理事。1991年当选为中国科学院院士。

科研成就

在上世纪50年代末，对当时苏联分子声学界有争议的一些有机液体的超声弛豫吸收问题进行研究，澄清了事实，结束了这场争论。有关苏联专家在苏联声学学报上著文介绍并加以赞扬 (1960)。70年代末，建立了三套激光探针检测固体声场。首次观察到在Z－石英表面激发的伪表面波，并对圆弧型换能器激发声场特性进行研究，指正了国际上两种不正确观点。

1980年创建光声小组 （1986年发展为光声科学研究室），二十年来设计和建立多种光声热波设备，首先研制成光声显微镜，并提出以位相调节实现分层成象，国际同行认为是国际上最好的分层成象。此后又研制了光电显微镜、激光扫描共焦显微镜，光调制反射探针，电子声热波成象等显微成象系统等，对固体材料和器件进行分层成象研究，发现一些新现象，并提出新的理论解释。同时，研究脉冲激光在凝聚态物质中激发超声波及其与物质结构和参量之间的关系，解决了某些机理和测试研究中尚未解决的问题。 

数十年来，张淑仪院士小组研制成10余种仪器设备，发表学术论文300余篇，参加撰写专著3本（在美国出版），获国家、省部级科技进步奖12项。主办国际会议三届，并主编国际会议论文集3册 。

文章来源：声学楼论坛